最新成像技术让医疗人员无需解剖就能看到内耳的细节

科学家们利用太赫兹辐射在不损伤耳蜗的情况下观察耳蜗内部（耳蜗是一个极其微小的螺旋形器官，对听力至关重要），在耳部成像方面取得了重大飞跃。这一突破有朝一日可能让医生能够使用非侵入性工具检测听力问题和内耳疾病，而这是目前的成像技术无法做到的。

研究人员开发了一种新型太赫兹成像方法，能够以微米级空间分辨率可视化小鼠耳蜗的内部细节。图片为切除的小鼠耳蜗。图片来源：早稻田大学 Kazunori Serita

该团队发明了一种可以穿透骨骼和组织的微型太赫兹光源，可以以前所未有的细节提供耳蜗结构的三维视图。他们已经在小鼠样本上进行了测试，随着进一步开发，它可以通过耳道用于早期发现听力损失，甚至检测出癌症。

科学家首次证明太赫兹成像能够以微米级精度揭示小鼠耳蜗的内部结构。这种非侵入性方法可能带来诊断听力损失和其他影响内耳的疾病的新方法。

“听觉依赖于耳蜗，耳蜗是内耳中的螺旋形器官，可将声波转换为神经信号，”研究小组负责人、日本早稻田大学的 Kazunori Serita 说道。“尽管传统的成像方法通常难以显现该器官的精细细节，但我们的 3D 太赫兹近场成像技术让我们能够看到耳蜗内部的微小结构，而不会造成任何损伤。”

使用 3D 太赫兹近场成像获取的图像用于创建 3D 重建，从而可以可视化耳蜗管的一部分，即耳蜗内的螺旋结构。图片来源：早稻田大学 Kazunori Serita

太赫兹辐射在电磁波谱上介于微波和中红外光之间。它特别适合生物成像，因为它能量低、对组织无损伤、散射比可见光或近红外光少，而且可以穿透骨骼。它对水合和细胞结构的细微变化也很敏感。

在今天（3 月 27 日）发表在 Optica 出版集团期刊Optica上的一项研究中，来自多个机构的研究人员团队描述了他们的成像技术如何捕获高分辨率数据，这些数据可用于创建内耳的详细 3D 重建。

“随着进一步发展，这项技术可能成为一种新的耳部疾病诊断方法，而这些疾病至今仍难以诊断，”Serita 说道。“它有可能实现对神经性听力损失和其他耳部疾病等情况的现场诊断。它还可能有助于早期发现听力障碍，从而实现早期治疗和更好的治疗效果。”

使用 3D 太赫兹近场成像获取的图像用于创建 3D 重建，从而可以可视化耳蜗管的一部分，即耳蜗内的螺旋结构。图片来源：早稻田大学 Kazunori Serita

在从神户大学耳鼻咽喉头颈外科的共同作者 Takeshi Fujita 那里了解到耳蜗测量的挑战后，Serita 萌生了开发这项技术的念头。“这让我想到，也许太赫兹成像可以帮助解决这些问题，”Serita 说。“我们决定合作，共同探索这个想法。最大的问题是，我们能否在不造成任何损害的情况下，将耳蜗的微小内部结构可视化。”

太赫兹成像通常是通过使用专门为这些波长制作的透镜聚焦太赫兹波来实现的。然而，这些透镜的焦距通常只有几毫米——这太大了，无法对耳蜗的微小结构进行成像。在这项新研究中，研究人员利用非线性光学晶体在晶体内非常小的区域产生太赫兹光，从而消除了对聚焦透镜的需求。由于这个太赫兹点源的光束直径只有 20 微米，研究人员可以用太赫兹波测量更小的样本。

“到目前为止，还没有办法以高分辨率无损观察耳蜗的内部结构，”Serita 说。“我们工作中的一个关键创新是使用非线性光学晶体从 1560 nm 近红外光产生太赫兹波。这对我们的成像技术至关重要。”

这种非侵入性方法最终可能成为诊断听力损失和其他耳部相关疾病的新方法。视频展示了 3D 太赫兹成像扫描。图片来源：早稻田大学 Kazunori Serita

为了测试他们的新方法，研究人员首先需要确认太赫兹波是否到达耳蜗内部。他们使用太赫兹成像装置对两个不同的提取和干燥的小鼠耳蜗样本进行实验，一个样本内部是空的，另一个样本中填充了反射太赫兹波的金属材料。他们观察到两个样本之间存在明显差异，证实太赫兹波确实穿透了耳蜗内部。

研究人员随后证明，使用无监督学习算法可以轻松从二维太赫兹时域图像中观察和提取内部结构信息。该团队还利用该装置成功进行了三维太赫兹飞行时间成像和三维重建，从而实现了耳蜗管（耳蜗内部的螺旋结构）部分可视化。

接下来，研究人员计划在更现实的生物环境中展示该技术在耳蜗上的可行性。由于耳蜗位于耳朵深处，充满淋巴液，他们首先需要将系统小型化，以便将其插入耳道。他们还在开发更强大的太赫兹源，以到达更深的结构。

研究人员表示，一旦太赫兹成像技术实现小型化，它就可以被整合到内窥镜和耳镜中，实现无创体内成像，用于耳蜗诊断和各种器官的早期癌症检测。

编译自/ScitechDaily